螺桿頂壓閥門試驗機頂緊螺桿螺母副的設計

張健

摘? 要：文章介紹了螺桿頂壓閥門試驗機頂緊螺桿螺母副的設計方法，解決了因螺桿自重過大而導致螺桿螺母副傳動摩擦力過大的問題。

關(guān)鍵詞：閥門試驗機;頂緊螺桿;螺桿螺母副傳動

中圖分類號：TH131 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0090-03

Abstract： This paper introduces the design method of the screw nut pair of the screw jacking valve testing machine， which solves the problem that the screw nut pair transmission friction force is too large due to the excessive self-weight of the screw.

Keywords： valve testing machine; jacking screw; screw nut pair transmission

1 概述

閥門試驗機是閥門生產(chǎn)過程中的必需設備，用于對閥門進行水壓及氣壓的上密封試驗、殼體試驗和密封試驗。閥門試驗機按對閥門的裝夾方式不同可分為抱壓式和頂壓式兩種，其中頂壓式可以分為液壓頂壓式和螺桿頂壓式。螺桿頂壓閥門試驗機以其結(jié)構(gòu)簡單、承受力大、適用多種連接形式的閥門、單臺設備適用閥門口徑范圍廣等特點在閥門試驗中得到了廣泛的使用。

螺桿閥門試驗機的結(jié)構(gòu)件主要有，左、右牌坊、左、右盲板組件、拉桿、中牌坊（移動牌坊）、頂緊螺桿螺母副以及驅(qū)動組件等。頂緊螺桿螺母副是螺桿閥門試驗機的核心部件，也是設計難點，設計時不僅要考慮受力還要考慮傳動。本文介紹了頂緊螺桿螺母副的設計方法，解決了因螺桿自重過大而導致螺桿螺母副傳動摩擦力過大的問題。

2 螺桿頂壓閥門試驗機的工作原理

螺桿頂壓閥門試驗機結(jié)構(gòu)如圖1所示，左、右牌坊由兩條拉桿固定起來，左盲板組件固定在左牌坊上，右盲板組件固定在中牌坊（移動牌坊）上，中牌坊通過滑套安裝在兩條拉桿上，可以沿著拉桿來回移動，頂緊螺桿與頂緊螺母組成螺桿螺母副，頂緊螺桿一端與中牌坊固定，頂緊螺母安裝在右牌坊的孔中，穿過右牌坊后凸臺底面貼緊右牌坊，頂緊螺母可以在孔中滾動。

被測閥門裝夾時，一端貼緊左盲板組件，然后通過驅(qū)動組件控制頂緊螺母轉(zhuǎn)動，這時頂緊螺桿呈直線運動，推著中牌坊前進，直到右盲板組件貼緊閥門右端面。然后操作設備試壓系統(tǒng)對閥門進行水壓及氣壓的試驗。試驗過程中，保證盲板與閥門端面密封所需的推力并非由螺桿提供，螺桿只限定右盲板組件的位置保證其不能后退，左、右盲板組件具有特殊的結(jié)構(gòu)設計，能夠保證在試驗時盲板始終貼緊閥門端面并達到密封效果。試驗結(jié)束后，通過驅(qū)動組件控制頂緊螺母轉(zhuǎn)動，使得中牌坊后退，右盲板組件離開閥門端面，最后取下閥門。

試驗過程中，頂緊螺桿螺母副雖然不提供頂緊閥門的推力，但受到壓力介質(zhì)對右盲板組件產(chǎn)生的并通過中牌坊傳遞過來的作用力，然后通過頂緊螺母的凸臺將力作用在右牌坊上。因此在設計大口徑高磅級閥門試驗機時，需要設計足夠大的螺桿螺母副來承受巨大的推力。同時，為了滿足不同結(jié)構(gòu)長度的閥門，需要保證盲板間距的最大、最小值，即螺桿螺母副傳動需要足夠的行程，也就是說螺桿需要足夠的長度，而大直徑且較長的螺桿本身的重量也非常大，這使得螺桿螺母副在傳動時有很大的摩擦力，因此還要設計特殊的結(jié)構(gòu)來解決摩擦力過大的問題。

3 頂緊螺桿螺母副設計

根據(jù)螺桿頂壓閥門試驗機的工作原理，可知頂緊螺桿螺母副的設計既要考慮受力也要考慮傳動，因此選擇梯形螺紋比較合適。

以下設計計算以滿足40寸600磅閥門的試驗機為例。根據(jù)計算，頂緊螺桿螺母副需要承受的最大作用力為1650噸。頂緊螺桿材質(zhì)選用45鋼，[σ]=[σs]/n=355/2.5=142MPa，[τ]=71MPa，[σc]=165MPa;頂緊螺母材質(zhì)選用QT450-10，[σ]=[σs]/n =310/2.5=124MPa，[τ]=62MPa，[σc]=155MPa。

3.1 頂緊螺桿受力計算

根據(jù)經(jīng)驗，最大受力在1650噸左右時，頂緊螺桿的外圓直徑選用？覫400左右，則梯形螺紋為Tr400螺距選用24，即Tr400×24。然后對該螺桿進行受力計算，如果受力計算不合格則選用更大尺寸的螺桿，如果受力計算有很大的冗余，則可以選用小一號的螺桿。

3.3 螺桿螺母副優(yōu)化設計

頂緊螺桿螺母副既要考慮受力也要考慮傳動，傳動部分控制原理為，驅(qū)動組件通過齒輪傳動帶動頂緊螺母轉(zhuǎn)動，頂緊螺桿沿著軸線方向作直線運動。由于試驗時頂緊螺桿無需提供推力，所以只需考慮空載時的傳動。螺桿螺母副水平放置，螺桿一端固定在中牌坊上，則螺桿自身的重量由中牌坊及螺桿螺母嚙合段螺紋來承受。一般大型螺桿頂壓閥門試驗設備的頂緊螺桿重量均要好幾噸重，使得螺紋間的摩擦力會很大，特別是在盲板開檔最大位置（圖1）時，螺紋嚙合段將承受很大的力，且受力不均勻，如圖1所示位置時，嚙合段的右端螺紋受力非常大，螺紋間的摩擦力也非常大，不利于傳動控制。設備在實際運行過程中也經(jīng)常出現(xiàn)螺紋卡死的現(xiàn)象。

為了解決因螺桿自重過大而導致螺桿螺母副傳動摩擦力過大的問題，本文提出了一種將承重轉(zhuǎn)移的設計方法。在螺桿螺母嚙合段的后面增加一段滾針（圖4），滾針沿著螺桿圓周一圈布置，將螺桿的重量施加到滾針上而不是嚙合段螺紋上，雖然滾針受到的重力也將傳遞到螺母上，但螺桿、滾針以及螺母之間是滾動摩擦，大大減少了傳動過程中的摩擦力，且無論盲板開檔的變化即螺桿前進后退位置的變化，不影響嚙合段螺紋的受力。

螺桿的重量全部由中牌坊和滾針承受，而中牌坊通過滑套安裝在兩條拉桿上，作用在中牌坊上的重力最終由兩條拉桿承受，而螺桿螺母副嚙合段螺紋不受重力影響，故降低了對驅(qū)動控制的要求。經(jīng)過實踐證明，該方法很好的解決了因螺桿自重過大而導致螺桿螺母副傳動摩擦力過大的問題，設備在使用過程中，螺桿螺母卡死的現(xiàn)象得到了極大的改善。

4 結(jié)束語

螺桿頂壓閥門試驗機以其自身的特點在閥門生產(chǎn)過程中得到了越來越廣泛的使用。本文介紹的螺桿頂壓閥門試驗機頂緊螺桿螺母副的設計方法，簡單實用，具有一般通用性。對螺桿螺母副的優(yōu)化設計，本文提出的設計一圈滾針將承重轉(zhuǎn)移的方法，很好地解決了實際應用中因螺桿自重而導致傳動摩擦力過大的難題。

參考文獻：

[1]徐振振.螺桿螺母傳動機構(gòu)設計方式探究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（08）：69-70.

[2]黃奕東.門座式起重機變幅機構(gòu)螺母加工工藝的優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2016（10）：208-209.

[3]孔立群，王震.鋼管水壓試驗機水路閥門密封面設計[J].焊管，2015，38（02）：42-45.